电机转轴埋弧焊工艺研究.docx

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电机转轴埋弧焊工艺研究

电机转轴埋弧焊工艺研究与应用

范卢军

（湘潭电机股份有限公司结构件事业部，湖南湘潭）

摘要：

电机转轴中筋板与轴之间的焊缝为长、直焊缝，正好适用于埋弧焊焊接。

经过分析转轴的结构及转轴母材Q345B的焊接性，制定相应的焊接工艺参数，通过焊接工艺评定、试件工艺验证、产品验证等实验证明，转轴采用埋弧焊工艺焊接的焊缝，表面成形美观、无焊接缺陷、焊接质量稳定、可靠，焊接接头力学性能完全满足设计要求。

可见埋弧焊适用于电机转轴中筋板与轴的焊接，可推广应用于电机转轴与筋板的焊接。

关键词：

电机转轴Q345B埋弧焊

1.埋弧焊的特点

埋弧焊是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。

埋弧焊具有：

生产效率高、易于实现机械化和自动化、焊缝质量高、劳动条件好，且无噪音及有害气体等优点。

埋弧焊至今仍然是工业生产中最常用的一种焊接方法。

适于批量较大，较厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接。

广泛应用于化工容器、锅炉、造船、桥梁等金属结构的制造。

2.焊接结构及母材焊接性分析

图1为电机转轴的焊接示意图，其中：

转轴材料为圆钢Q345B,筋板材料为钢板Q235B。

从图1可以看出，筋板与转轴之间的焊缝为长、直焊缝，正好适用于埋弧焊焊接。

2.1材料介绍

Q235钢属碳素结构钢，其屈服强度在235MPa左右，强度适中，有良好的承载性，较好的塑性和韧性，其含碳量低，一般小于0.2%，焊接性和加工性能良好，是最常用的钢种。

Q345钢属于低合金高强度结构钢，一般在热轧状态下供货，它具有良好的综合力学性能、低温冲击韧性、冷冲压性及切削性，在机械行业中应用极广，可以制造大型船舶、铁路车辆、桥梁、管道、锅炉、压力容器、起重机械、厂房钢架等承受负荷的焊接结构。

Q235B、Q345B的化学成分见表1，其力学性能见表2

表1Q235B、Q345-B的材料化学成分

牌号

化学成分

C

Si

Mn

S

P

V

Nb

Ti

Q235B

0.12~0.2

≤0.30

0.30~0.70

≤0.045

≤0.045

Q345B

≤0.2

≤0.55

1.0～1.6

≤0.04

≤0.04

0.02～0.15

表2Q235B、Q345B的材料力学性能

牌号

屈服强度

δS/MPa

抗拉强度

δb/MPa

伸长率

%

冲击功AKV/J

（23℃）

备注

Q235B

235

375～460

≥25

≥27

GB/T700

Q345B

345

470～630

≥21

≥34

GB/T1591

2.2焊接性分析

母材碳当量（Ceq）的计算

计算公式：

Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14

Q235B的碳当量（Ceq）≈0.3%，

Q345B的碳当量（Ceq）≈0.49%，

从以上计算结果可以看出，Q235B的碳当量（Ceq）≈0.3%，碳当量很低，硅、锰含量少，通常情况下不会因焊接而产生严重的硬化组织或淬火组织。

具有良好的焊接性。

而Q345B的碳当量（Ceq）≈0.49%，其淬硬倾向比Q235B要大，可见Q345B钢焊接性能不是很好，焊接时需要制定严格的工艺措施。

因此下面主要从两方面来分析Q345B的焊接性：

一是焊接引起的各种缺陷，对这类钢来说主要是各类裂纹问题；二是焊接时材料性能的变化，对这类钢来说主要是脆化问题。

2.2.1裂纹问题

（1）热裂纹：

Q345B含碳量较低，含锰量较高，因此它的Mn/S比较大，具有良好的抗热裂性能。

正常情况下焊缝中不会出现热裂纹，但当材料成分不合格或有严重偏析，使碳、硫含量偏高，Mn/S比偏低，易出现热裂纹。

锰在钢中可与硫形成硫化锰，减少了硫的有害影响，增强了钢的抗热裂性能。

（2）冷裂纹：

钢材冷裂纹主要取决于钢材的淬硬倾向，而钢材的淬硬倾向又主要取决于它的化学成分。

Q345B由于含有少量合金元素，其碳当量比低碳钢碳当量略高些，所以这种钢淬硬倾向比低碳钢要大些。

而且转轴厚度很大，焊缝冷却速度比较快，因此要制定合适的焊接线能量、预热和后热温度，以控制热影响区的冷却速度，同时降低焊缝金属的含氢量等措施，防止冷裂纹的产生。

（3）再热裂纹：

从钢材的化学成分考虑，Q345B钢中不含强碳化物形成元素，因此对再热裂纹不敏感。

2.2.2脆化问题

（1）过热区脆化：

Q345B钢焊接时近缝区中被加热到1200℃以上粗晶区，易产生晶粒长大现象，是焊接接头中塑性最差的部位，往往会承受不住应力的作用而破坏。

防止过热区脆化的措施是提高冷却速度，尤其是提高奥氏体最小稳定性范围内的冷却速度，缩短在这一温度区间停留时间，减少或防止魏氏体组织的出现，以提高钢的冲击韧性，而且为防止过热区粗晶脆化，也不宜采用过大线能量，并要控制好层间温度不要过高。

（2）热应变脆化：

热应变脆化是由于焊接过程中热应力产生塑性变形使位错增殖，同时诱发氮碳原子快速扩散聚集在位错区，出现热应变脆化。

Q345B具有一定得热应变脆化倾向，焊接时消除热应变脆化的有效措施是焊后去应力退火。

综合以上分析，我们知道在裂纹方面，Q345B对热裂纹、再热裂纹和层状撕裂不敏感，只有当板材厚度过大，且冷却过快时对冷裂纹有一定的敏感性；在脆化方面，Q345B有一定的热应变脆化现象，对过热区脆化不敏感。

因此，需要通过一些的焊接工艺措施来解决Q345B中由于部分原因对焊接性带来的不利影响。

3.焊接材料的选择

低合金高强钢焊接材料的选择一般考虑两方面的问题：

一是不能有裂纹等焊接缺陷；二是能满足使用性能要求。

选择焊接材料的依据是保证焊缝金属的强度、塑性、韧性等力学性能与母材相匹配。

选用的焊接材料：

焊剂为SJ501焊剂

焊丝为H08A；焊丝直径为φ4

以上组合的熔敷金属化学成分见表3、机械性能见表4：

表3熔敷金属化学成分

C

Mn

Si

P

S

0.055

1.18

0.80

0.016

0.010

表4熔敷金属机械性能

抗拉强度δb/MPa

屈服强度δS/MPa

延伸率%

冲击功AKV/J（0℃）

550

485

29

63

4.焊接工艺参数的拟定

4.1预热温度：

根据转轴母材的厚度、母材材质的焊接性分析及相关标准文件说明，确定预热温度为150℃。

4.2层间温度：

为了避免焊缝及焊接热影响区过热而产生粗大的魏氏体组织，规定层间温度不允许超过300℃。

4.3焊后保温：

为了消除氢脆，焊后立即保温，保温温度250～300℃,时间2～4小时。

4.4焊后热处理：

为了避免产生热应变脆化、消除焊缝内应力，保证工件尺寸稳定，焊后采用去应力退火工艺。

退火温度600～650℃，保温时间2小时，并随炉冷却至300℃后，空冷。

去应力退火在焊后保温完成后进行。

4.5焊接线能量：

焊接质量与焊接时输入线能量有直接的关系，焊接线能量公式如下：

E=IU/V

公式中，E为焊接时输入的线能量，KJ/mm；I为焊接电流，A；U为电弧电压，V；V为焊接速度，mm/s。

焊接线能量不能过低，也不能过高。

焊接线能量过低，焊缝冷却速度过快，会产生大量的高碳马氏体组织；焊接线能量过高，焊缝冷却速度太慢,焊缝金属高温时间停留过长，冷却时会产生大量的粗大魏氏体组织。

从图2可以看出，焊接热影响区组织以A1、A2两条线之间的区间为宜，其组织以贝氏体为主，具有强度高、韧性好等良好的综合机械性能。

其对应的T8/5大概在9～50之间；同时对比图3可以看出，其对应的维氏硬度值大概在420～236之间；然后结合SHCCT曲线图，HV=420可以对应R11冷却曲线，其线能量约为0.6KJ/mm，HV=236可以对应R7冷却曲线，其线能量约为3KJ/mm.

因此，结合SHCCT曲线图、图2、图3和相关文献可以大致推算出线能量最好控制在0.6KJ/mm～3KJ/mm之间。

图2焊接冷却时间t8/5与Q345钢热影响区组织组成的关系

图3焊接冷却时间t8/5与Q345钢热影响区硬度的关系

Q345钢的连续冷却曲线（SHCCT）

经过以上焊接性分析，并结合焊接工艺守则等相关文献，确定焊接工艺参数，见下表5：

表5焊接工艺参数

焊层

电流（A）

电压（V）

焊接速度

热输入

预热温度

层间温度

后热保温

焊后热处理

打底层

450~500

25~30

30~35cm/min

1.9~3.0KJ/mm

150℃

焊后立即保温、保温温度250~300℃，时间2~3小时

600~650℃，保温时间2小时，随炉冷却至300℃。

中间层

500~550

27~32

35~40cm/min

2.0~3.0KJ/mm

≤300℃

盖面层

500~550

30~34

33~37cm/min

2.4~3.4KJ/mm

≤300℃

5.焊接工艺评定

采用Q235B+Q345B的对接试板，板厚30mm,焊接工艺评定按标准JB/T4708-2005进行。

5.1根据表5的焊接工艺参数，对试板进行焊接。

5.2焊缝超声波探伤检测

100%符合JB4730-2005RTⅠ级要求

5.3力学性能检查结果

（1）焊接接头抗拉强度为447/439Mpa，断裂位置为Q235B母材一侧。

（2）弯曲试验：

在支座距离为63mm,弯曲直径为40mm，弯曲角度为180°的条件下进行4个侧弯，均无缺陷。

（3）采用10×10×55的标准冲击试样进行室温V型缺口冲击试验，焊缝中心的冲击值为57、59、57（J）；靠近Q235B侧热影响区的冲击值为200、190、198（J）,靠近Q345B侧热影响区的冲击值为180、196、182（J），均高于标准要求的27J。

6.应用

此埋弧焊工艺成功应用于Y355、Y450、Y500系列电机转轴的焊接，探伤一次合格率达98%以上。

应用埋弧焊焊接的电机，在客户处已正常运行2年以上，此处焊缝至今未发现任何问题。

7.结论

（1）用埋弧焊所焊的焊接试板，其焊接接头的机械性能完全满足标准要求。

（2）转轴采用埋弧焊工艺焊接的焊缝，表面成形美观、无焊接缺陷、焊接质量稳定、可靠，焊接接头力学性能完全满足设计要求。

（3）焊接工艺参数通过自动调节保持稳定，对焊工操作技术要求不高；相对于手工电弧焊，埋弧焊操作劳动强度低，电弧弧光埋在焊剂层下，没有弧光辐射，其劳动条件也比较好。

（4）埋弧焊所用的焊接电流大，相应电流密度也大，加上焊剂和熔渣的保护，电弧的熔透能力和焊丝的熔敷速度都大大提高。

而且由于埋弧焊热输入大，焊接速度快，能有效的保证焊接时的层间温度。

焊缝能按理想的冷却曲线冷却，焊缝组织性能优于MAG焊得到的焊缝组织。

（5）埋弧焊适用于电机转轴与筋板之间的焊接，可推广应用在电机转轴与筋板的焊接上。

参考文献：

[1]